PENGATURAN KECEPATAN MOTOR DC DENGAN DC DRIVE SINAMICS DCM PADA SIZE PRESS
JETri, Volume 12, Nomor 1, Agustus 2014, Halaman 89 -104, ISSN 1412-0372
PENGATURAN KECEPATAN MOTOR DC DENGAN
DC DRIVE SINAMICS DCM PADA SIZE PRESS
Maula Sukmawidjaja, Budhi Nursulistyo
Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknologi Industri Universitas Trisakti
Jalan Kiai Tapa 1, Jakarta Barat 11440
E-mail: [email protected], [email protected]
ABSTRACT
Direct current (DC) motors have a wide-speed range control compared to alternating
current (AC) motors, that is why they are still widely used in industries such as paper mills,
textiles, and factories whose production requires wide-speed range. This paper discusses the
DC motor speed control. Sinamics DCM is used in master-slave configuration for load
sharing process. Drive in the top roll work as master and drive in the bottom roll work as a
slave. The load distribution in the size press rolls is very important. Base on calculation and
analysis we can conclude that Sinamic DCM can control the DC motor speed by adjusting
the voltage applied to the motor.
Keywords: DC drive, DC motor, Sinamics DCM, Size Press
ABSTRAK
Motor arus searah (direct current/dc motor) mempunyai daerah pengaturan putaran yang
luas dibandingkan dengan motor arus bolak balik (alternating current/ac motor), sehingga
masih banyak digunakan di industri seperti pabrik kertas, tekstil, dan pabrik yang
produksinya memerlukan pengaturan putaran yang luas. Pada tulisan ini dibahas
pengaturan kecepatan motor DC. Pada proses pembagian beban, Sinamics DCM bekerja
dengan sistem master-slave, dimana setiap drive memiliki peranan masing-masing, drive
pada top roll bekerja sebagai master dan drive pada bottom roll bekerja sebagai slave.Dari
hasil perhitungan dan analisis dapat disimpulkan bahwa Sinamics DCM terbukti mengatur
kecepatan motor DC dengan mengatur besar tegangan yang diberikan kepada motor.
Kata kunci: DC Drive, Motor DC, Sinamics DCM, Size Press
JETri, Volume 12, Nomor 1, Agustus 2014, Halaman 89 - 104, ISSN 1412-0372
1. PENDAHULUAN
Motor Direct Current (DC) merupakan mesin listrik yang banyak
dipakai
di pabrik-pabrik
terutama
pada industri kertas. Pengaturan yang
sesuai sangatlah penting dalam produksi kertas agar ketika dalam produksi, kertas
yang dihasilkan dapat memenuhi target produksi. Apabila motor DC pada industri
kertas tidak mendapatkan pengaturan yang sesuai,dapat terjadi kerusakan pada
kertas-kertas yang diproduksi, sehingga mengakibatkan kerugian bagi industri
tersebut..
2. MOTOR ARUS SEARAH DAN KOMPONEN PENGGERAK MOTOR [1, 2]
Motor arus searah mempunyai daerah pengaturan putaran yang luas
dibandingkan dengan motor arus bolak-balik, sehingga sampai sekarang masih
banyak dipergunakan pada pabrik dan industri seperti pabrik kertas, tekstil, dan
pabrik-pabrik yang mesin produksinya memerlukan pengaturan putaran yang luas.
Dalam motor arus searah, kumparan medan yang berbentuk kutub sepatu merupakan
bagian yang tidak berputar (stator), dan kumparan jangkarnya merupakan bagian
yang berputar (rotor).
Jika arus melewati konduktor, maka akan timbul medan magnet dan garisgaris gaya medan magnet (fluks) dihasilkan oleh kutub-kutub magnet pada stator.
Interaksi antara kedua medan tersebut akan menimbulkan perpotongan medan
magnet sehingga menimbulkan gaya, gaya tersebut menghasilkan torsi yang akan
memutar rotor. Dalam perkembangannya banyak sekali cara pengaturan motor DC,
diantaranya pengaturan motor DC menggunakan sebuah drive, kegunaan drive
tersebut untuk memudahkan operator dalam mengatur motor DC agar bekerja sesuai
seperti yang diinginkan.
Motor DC yang digunakan adalah motor berpenguatan bebas. Motor arus
searah penguatan bebas sumber tegangan penguatannya berasal dari luar
motor. Pada jangkar motor timbul gaya gerak listrik (GGL) lawan sebesar πΈπ
yang melawan tegangan masuk (ππ‘ ), seperti diperlihatkan pada Gambar 1 pada
halaman berikut ini
90
Maula Sukmawidjajaama & dkk, Pengaturan Kecepatan Motor DC Dengan DC Drive
Gambar 1. Rangkaian Ekivalen Motor DC berpenguatan bebas
Dari Gambar 1 rangkaian ekivalen tersebut, maka didapat persamaan (1):
Jika
Maka
ππ‘ = πΈπ + πΌπ .π π
πΈπ = K Π€ ππ
ππ‘ = K Π€ ππ + πΌπ .π π
π
π
πΌπ = π +π
I
=
π
π·ππ¦π πΌπππ’π‘
ππ‘
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
dimana: ππ‘ adalah tegangan terminal (V), πΈπ adalah GGL lawan (V), K adalah
Konstanta, I adalah arus jala-jala (A), π π adalah resistansi kumparan jangkar (ohm),
πΌπ adalah arus jangkar (A), πΌπ adalah arus medan (A), ππ adalah tegangan penguat
(V).
2.1. Penggerak Motor DC (DC Drive)
DC drive adalah suatu komponen yang digunakan untuk mengontrol
kecepatan dan torsi motor DC, DC drive memiliki keuntungan diantaranya:
ο·
Metode pengendalian kecepatan sederhana dan lebih mudah.
ο·
Sistem pengereman dapat diterapkan dengan mudah.
ο·
Efisiensi yang lebih tinggi.
91
JETri, Volume 12, Nomor 1, Agustus 2014, Halaman 89 - 104, ISSN 1412-0372
Pada DC drive ada bagian-bagian yang membuat DC drive dapat bekerja secara
efektif [3] dan parameter-parameter pada motor DC dapat secara akurat ditentukan,
diantaranya:
1. Power converter pengendali motor DC yang dipakai adalah rectifier. Rectifier
adalah sebuah rangkaian yang mengkonversi tegangan AC menjadi DC.
2. Controllers merupakan bagian yang mengatur interaksi antara beban dan
karakteristik motor [3]. Controller mengatur masukan pada konverter daya.
Input yang diatur diantaranya:
a. torsi, fluks, speed dan posisi perintah
b. rate variasi, untuk memfasilitasi start awal dan menjaga integritas beban
mekanik.
c. torsi, fluks, speed yang diukur dan posisi dari feedback
d. nilai batas dari arus, torsi
e. temperatur.
DC drive Sinamics DCM atau yang biasa disebut juga dengan Sinamics DC Master,
merupakan suatu DC drive produk dari PT. SIEMENS yang memiliki fungsi utama
sebagai pengubah tegangan AC menjadi DC serta pengatur kecepatan motor DC.Para
konsumen dari PT. SIEMENS pengguna DC Drive Sinamics DCM biasanya
bergerak pada bidang industri kertas, seperti Gambar 2.
Gambar 2. Sinamics DCM
92
Maula Sukmawidjajaama & dkk, Pengaturan Kecepatan Motor DC Dengan DC Drive
2.2. Thyristor
Sinamics DCM menggunakan thyristor untuk merubah tegangan AC menjadi DC.
Thyristor memiliki terminal anoda, katoda, dan gerbang [2], seperti diperlihatkan
pada Gambar 3.Thyristor bertindak sebagai saklar yang akan aktif ketika tegangan
anoda positif terhadap katoda dan ada arus gerbang. Holding current adalah arus
yang mengalir dari anoda ke katoda untuk menjaga thyristor tetap menyala. Holding
current dapat dihapus setelah thyristor diaktifkan. Thyristor akan terus bekerja
selama tegangan anoda lebih positif terhadap katoda dan arus yang mengalir
melebihi arus holding. Seperti arus pada gerbang (gate), besarnya holding current ini
bervariasi dari perangkat ke perangkat. Besar kecilnya arus tergantung dari
kebutuhan, semakin besar perangkat semakin besar arus yang dibutuhkan.
Cathode
Anode
Gate
Gambar 3. Simbol thyristor
2.3. Sistem Pengaturan Kecepatan Quadrant
Cara kerja motor dan drive dapat dijelaskan dengan sistem kuadran. Pada
sistem satu kuadran, drive hanya dapat menghasilkan forward current dan forward
voltage, dan motor hanya bekerja pada satu arah. Sedangkan pada sistem empat
kuadran sistem kontrol dapat beroperasi pada tegangan dan arus positif serta negatif,
dan motor bekerja forward dan reverse seperti diperlihatkan pada Gambar 4 [1].
Torque
RR
FM
Speed
RM
RR : Reverse Regenerating
RM : Reverse Monitoring
FR : Forward Regenerating
FM : Forward Monitoring
FR
Gambar 4. Sistem quadrant
93
JETri, Volume 12, Nomor 1, Agustus 2014, Halaman 89 - 104, ISSN 1412-0372
Pada Sinamics DCM terdapat tipe yang bekerja dengan sistem satu kuadran dan
empat kuadran. Sistem satu kuadran pada Sinamics DCM menggunakan enam
thyristor yang berlaku sebagai saklar dan mengubah tegangan seperti diperlihatkan
pada Gambar 5.
Gambar 5. Rangkaian Sinamics DCM satu kuadran
Sistem satu kuadran hanya beroperasi dikuadran I. Torsi motor yang searah
dengan jarum jam menggerakkan motor secara searah pada kecepatan yang
diinginkan. Menghentikan motor pada operasi satu kuadran dapat dilakukan dengan
menghilangkan tegangan pada motor. Tegangan dapat dikurangi secara bertahap
sampai motor berhenti. Jumlah waktu yang dibutuh kan untuk menghentikan motor
tergantung pada inersia dari motor dan beban yang terhubung.
94
Maula Sukmawidjajaama & dkk, Pengaturan Kecepatan Motor DC Dengan DC Drive
Gambar 6. Rangkaian Sinamics DCM dengan sistem empat kuadran
Dinamika beban tertentu memerlukan operasi empat kuadran. Jika tegangan
motor tiba-tiba berkurang, torsi negatif dikembangkan di motor karena inersia dari
beban terhubung. Motor bertindak seperti sebuah generator dengan mengubah tenaga
mekanik dari poros menjadi tenaga listrik yang dikembalikan ke drive. Hal ini mirip
dengan mengendarai mobil pada jalan menurun. Mesin mobil akan bertindak sebagai
rem. Pengereman terjadi pada kuadran II dan IV.
Salah satu metode untuk mendapatkan operasi empat kuadran dari DC drive
adalah menambahkan jembatan kedua yang terhubung secara terbalik dari jembatan
utama. Jembatan kedua mengembalikan energi yang lebih dari motor kegaris AC.
Proses ini sering disebut sebagai regeneratif yang diperlihatkan pada Gambar 7.
95
JETri, Volume 12, Nomor 1, Agustus 2014, Halaman 89 - 104, ISSN 1412-0372
Motoring
Bridge
Regen
Bridge
Ra
L1
L2
L3
Gambar 7. Metode Regeneratif
2.4. Sistem Pengaturan Lintasan-Tertutup/Closed-Loop
Sinamics DCM ini juga bekerja sebagai pengatur motor DC, terutama pada
pengaturan kecepatan yang bekerja dengan sistem closed-loop, yaitu sistem
pengaturan dimana besaran keluaran mempengaruhi besaran masukan, sehingga
besaran yang dikontrol dapat dibandingkan terhadap set point yang diinginkan.
Selanjutnya, perbedaan set point yang terjadi antara besaran yang dikontrol dengan
set point yang diinginkan digunakan sebagai koreksi. Feedback adalah salah satu
bagian dari sistem closed-loop dimana keluaran akan dibandingkan dengan masukan
sistem, sehingga pengaturan yang tepat dapat dilakukan.
Input
Control
Proses
Feed back
Gambar 8. Sistem Closed-Loop
96
Output
Maula Sukmawidjajaama & dkk, Pengaturan Kecepatan Motor DC Dengan DC Drive
3. PENGATURAN KECEPATAN MOTOR DC PADA SIZE PRESS DENGAN
SINAMICS DCM [2,3]
Size Press merupakan tempat dimana kertas diberikan cairan kimia agar
kertas dapat lebih lentur dan apabila kertas diberi tinta, tinta tersebut dapat meresap
kedalam kertas. Pada size press terdapat dua roll yang saling bersentuhan seperti
diperlihatkan pada Gambar 9. Roll tersebut masing-masing digerakan oleh motor
DC. Kecepatan motor DC yang sesuai sangat diharapkan agar produksi dapat
berjalan dengan efektif dan efisien.
Gambar 9. Roll pada size press, foto diambil pada PT. Mount Dream Indonesia pada
tanggal 30/05/2013
Konsep pengaturan yang diterapkan DC drive pada size press dapat dilihat pada
Gambar 10. Pada speed set point diberikan speed reference ke DC drive, kemudian
pada current control dilakukan penyesuaian tegangan agar motor dapat berputar
sesuai dengan kecepatan berdasarkan set point.
Gambar 10. DC Drive System
97
JETri, Volume 12, Nomor 1, Agustus 2014, Halaman 89 - 104, ISSN 1412-0372
Ketika motor DC berputar berdasarkan set point kecepatan awal, DC drive akan
memberikan feedback, berupa sinyal keluaran. Feedback tersebut akan dibandingkan
dengam sinyal masukan yang selanjutnya dijadikan panduan untuk set point
kecepatan berikutnya. Pengaturan kecepatan motor DC pada size press terdapat tahap
load share. Load share merupakan pembagian beban antara dua motor atau lebih.
Pada size press terdapat dua roll, seperti diperlihatkan pada Gambar 11, yang
dikendalikan oleh dua motor DC. Ketepatan pembagian beban dalam kecepatan
putaran masing-masing roll sangat penting. Apabila motor DC top roll berputar tidak
sesuai maka akan menghambat motor DC bottom roll, dan juga sebaliknya. Hal
tersebut akan mengakibatkan kertas yang melalui kedua roll tersebut rusak, terlipat,
bahkan dapat keluar dari jalur roll tersebut.
Top Roll
Bottom Roll
Gambar 11. Roll pada size press
Ketika terjadi load share, DC drive Sinamics DCM pada top roll bekerja sebagai DC
master, sedangkan DC drive Sinamics DCM pada bottom roll bekerja sebagai slave
seperti diperlihatkan pada Gambar 12.
Gambar 12. Hubungan drive master dan slave pada saat load share
98
Maula Sukmawidjajaama & dkk, Pengaturan Kecepatan Motor DC Dengan DC Drive
Load share terjadi saat roll nip, yaitu saat kedua roll bertemu. Saat load share, drive
slave bekerja berdasarkan set point yang diberikan oleh drive master.Gambar 13
adalah grafik proses load share pada bottom roll dengan top roll ketika terjadi nip.
Dapat dilihat adanya kesamaan pola top roll dan bottom roll pada pukul 16:29-19:09.
Gambar 14 merupakan grafik kecepatan top roll dan bottom roll. Kecepatan motor
pada grafik tersebut adalah kecepatan ketika transisi motor pada saat sebelum load
share terjadi sampai dengan terjadinya load share.
Bottom Roll load
40
20
19:09:00
18:49:00
18:29:00
18:09:00
17:49:00
17:29:00
17:09:00
16:49:00
16:29:00
16:09:00
15:49:00
15:29:00
15:09:00
14:49:00
14:29:00
14:09:00
13:49:00
13:29:00
13:09:00
12:49:00
12:29:00
12:09:30
0
19:09:00
18:49:00
18:29:00
18:09:00
17:49:00
17:29:00
17:09:00
16:49:00
16:29:00
16:09:00
15:49:00
15:29:00
15:09:00
14:49:00
14:09:00
13:49:00
13:29:00
13:09:00
12:49:00
12:29:00
12:09:30
14:29:00
Top Roll Load
40
20
0
Gambar 13. Roll pada saat Load Share
Bottom Roll Speed
19:09:00
18:54:00
18:09:00
18:39:00
18:09:00
18:24:00
17:54:00
17:49:00
17:39:00
17:24:00
17:09:00
16:54:00
16:39:00
16:24:00
16:09:00
15:54:00
15:39:00
15:24:00
15:09:00
14:54:00
14:39:00
14:24:00
14:09:00
13:54:00
13:39:00
13:24:00
13:09:00
12:54:00
12:39:00
12:24:00
12:09:30
412
410
408
406
404
402
400
398
Top Roll speed
410
405
19:09:00
18:49:00
18:29:00
17:29:00
17:09:00
16:49:00
16:29:00
16:09:00
15:49:00
15:29:00
15:09:00
14:49:00
14:29:00
14:09:00
13:49:00
13:29:00
13:09:00
12:49:00
12:29:00
12:09:30
400
Gambar 14. Roll Speed pada saat Load Share
99
JETri, Volume 12, Nomor 1, Agustus 2014, Halaman 89 - 104, ISSN 1412-0372
4. PERHITUNGAN KECEPATANβTEGANGAN PENGGERAK MOTOR DC
[1, 3]
Kecepatan dan tegangan penggerak motor DC dapat dihitung dengan menggunakan
Persamaan (1) dan (2). Selain itu digunakan juga data-data yang diperoleh dari
pengukuran dan spesifikasi dari motor DC pada size press yang diperlihatkan pada
Tabel 1.
Table 1. Spesifikasi motor DC
Roll
Vrated
Top roll
480
Bottom roll 480
Irated
162
170
kWrated
75
75
Nrated Diameter roll Ratio gearbox Nrated
π π
1500
0,809
4,937
477,70 0,153
1500
0,784
4,937
477,70 0,150
Contoh perhitungan dengan menggunakan:
- Data top toll pada jam 12:09:30:
Kecepatan motor memutar Roll (ππ):
ππ =
408,7216 . 4,937
ππ =
794,3512 . 2π
π
0.809
= 794,3512 RPM
atau
60
= 83,14209 rad/sec
dan
KΦ =
=
ππππ‘ππ
πΌπππ‘ππ
477,70
162
= 2,94877
Selanjutnya dapat diperoleh tegangan jangkar:
πΈπ = K Π€ ππ
πΈπ = 83,14209 . 2,94877
= 245,1665
100
Maula Sukmawidjajaama & dkk, Pengaturan Kecepatan Motor DC Dengan DC Drive
Arus jangkar:
πΌπ = πΌπππ‘ππ . Load Actual
= 162 . 2,613224 %
= 4,23342
Dengan demikian tegangan penggerak:
ππ‘ = 245,1665 + (4,23342. 0,153 )
= 245,8142
- Data bottom rollpada jam 12:09:30:
Dengan cara yang sama maka:
ππ =
407,6703 . 4,937
ππ =
817,5729 . 2π
KΦ =
477,70
π
0,784
= 817,5729 RPM
atau
60
= 85,57263 rad/sec
dan
170
= 2,81
Ea = 85,57263 . 2,81
= 240,4591
Ia
= 170 x 4,938487 %
= 8,39543
Tegangan pengerak:
Vt = 240,4591 + (8,39543. 0,150)
= 241,7184
101
JETri, Volume 12, Nomor 1, Agustus 2014, Halaman 89 - 104, ISSN 1412-0372
N Top roll
Gambar 15 Grafik kecepatan top roll
Vt Top roll
Gambar 16. Grafik tegangan top roll l
N bottom roll
12:09:30
13:09:00
14:09:00
15:09:00
16:09:00
17:09:00
18:09:00
19:09:00
20:09:00
21:09:00
22:09:00
23:09:00
00:09:00
01:09:00
02:09:00
03:09:00
04:09:00
05:09:00
06:09:00
07:09:00
08:09:00
09:09:00
10:09:00
11:09:00
12:09:00
Dengan cara perhitungan yang sama untuk data lainnya dihasilkan grafik pada
1000
800
600
400
200
0
300
250
200
150
100
50
0
1000
800
600
400
200
0
Gambar 17. Grafik kecepatan bottom roll
12:09:30
13:09:00
14:09:00
15:09:00
16:09:00
17:09:00
18:09:00
19:09:00
20:09:00
21:09:00
22:09:00
23:09:00
00:09:00
01:09:00
02:09:00
03:09:00
04:09:00
05:09:00
06:09:00
07:09:00
08:09:00
09:09:00
10:09:00
11:09:00
12:09:00
Gambar 15 sampai dengan Gambar 18.
102
12:09:30
13:09:00
14:09:00
15:09:00
16:09:00
17:09:00
18:09:00
19:09:00
20:09:00
21:09:00
22:09:00
23:09:00
00:09:00
01:09:00
02:09:00
03:09:00
04:09:00
05:09:00
06:09:00
07:09:00
08:09:00
09:09:00
10:09:00
11:09:00
12:09:00
Maula Sukmawidjajaama & dkk, Pengaturan Kecepatan Motor DC Dengan DC Drive
Vt bottom roll
300
250
200
150
100
50
12:09:30
13:09:00
14:09:00
15:09:00
16:09:00
17:09:00
18:09:00
19:09:00
20:09:00
21:09:00
22:09:00
23:09:00
00:09:00
01:09:00
02:09:00
03:09:00
04:09:00
05:09:00
06:09:00
07:09:00
08:09:00
09:09:00
10:09:00
11:09:00
12:09:00
0
Gambar 18. Grafik tegangan bottomroll
Pada gambar grafik tegangan dan kecepatan masing-masing motor DC dari setiap
roll, dapat dilihat bahwa tegangan yang masuk mempengaruhi kecepatan motor, hal
tersebut dapat dibuktikan dari gambar grafik kecepatan dan tegangan pada masingmasing roll memiliki karakteristik gambar yang sama, dengan demikian dapat
terbukti bahwa DC drive Sinamics DCM mengatur kecepatan motor DC pada size
press dengan cara mengatur tegangan yang masuk ke motor DC.
5. KESIMPULAN
Bedasarkan analisis pada bab-bab sebelumnya dapat disimpulkan :
1. Penggunaan sistem Closed-Loop pada Sinamics DCM menghasilkan feedback
yang berguna untuk menjaga ketepatan pada setpoint sehingga motor dapat
bekerja dengan kecepatan yang sesuai.
2. Pada proses pembagian beban (load share) yang terjadi pada pukul 16:29-19:09,
Sinamics DCM bekerja dengan sistem Master-Slave, dimanadrive pada Top Roll
bekerja sebagai Master dan Bottom Roll bekerja sebagai Slave.Drive Slave bekerja
berdasarkan setpoint yang diberikan oleh Drive Master.
3. Berdasarkan perhitungan berdasarkan data Top Roll dan Bottom Roll, Sinamics
DCM terbukti mengatur kecepatan motor DC dengan mengatur besar tegangan
yang diberikan kepada motor..
103
JETri, Volume 12, Nomor 1, Agustus 2014, Halaman 89 - 104, ISSN 1412-0372
DAFTAR PUSTAKA
[1]. Siemens Energy & Automation Products. Siemens Technical Education
Program Series (STEP Series), Basics of DC Drives, 2011.
[2]. Theodore Wildi. Electrical Machines, Drives and Power Systems. Prentice Hall
International Inc., 2001.
[3]. Budhi Nursulistyo, βAnalisis pengaturan kecepatan motor dc dengan dc drive
sinamics dcm pada size pressβ, Tugas Akhir, Jurusan Teknik Elektro Trisakti,
Jakarta, 2013.
104
PENGATURAN KECEPATAN MOTOR DC DENGAN
DC DRIVE SINAMICS DCM PADA SIZE PRESS
Maula Sukmawidjaja, Budhi Nursulistyo
Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknologi Industri Universitas Trisakti
Jalan Kiai Tapa 1, Jakarta Barat 11440
E-mail: [email protected], [email protected]
ABSTRACT
Direct current (DC) motors have a wide-speed range control compared to alternating
current (AC) motors, that is why they are still widely used in industries such as paper mills,
textiles, and factories whose production requires wide-speed range. This paper discusses the
DC motor speed control. Sinamics DCM is used in master-slave configuration for load
sharing process. Drive in the top roll work as master and drive in the bottom roll work as a
slave. The load distribution in the size press rolls is very important. Base on calculation and
analysis we can conclude that Sinamic DCM can control the DC motor speed by adjusting
the voltage applied to the motor.
Keywords: DC drive, DC motor, Sinamics DCM, Size Press
ABSTRAK
Motor arus searah (direct current/dc motor) mempunyai daerah pengaturan putaran yang
luas dibandingkan dengan motor arus bolak balik (alternating current/ac motor), sehingga
masih banyak digunakan di industri seperti pabrik kertas, tekstil, dan pabrik yang
produksinya memerlukan pengaturan putaran yang luas. Pada tulisan ini dibahas
pengaturan kecepatan motor DC. Pada proses pembagian beban, Sinamics DCM bekerja
dengan sistem master-slave, dimana setiap drive memiliki peranan masing-masing, drive
pada top roll bekerja sebagai master dan drive pada bottom roll bekerja sebagai slave.Dari
hasil perhitungan dan analisis dapat disimpulkan bahwa Sinamics DCM terbukti mengatur
kecepatan motor DC dengan mengatur besar tegangan yang diberikan kepada motor.
Kata kunci: DC Drive, Motor DC, Sinamics DCM, Size Press
JETri, Volume 12, Nomor 1, Agustus 2014, Halaman 89 - 104, ISSN 1412-0372
1. PENDAHULUAN
Motor Direct Current (DC) merupakan mesin listrik yang banyak
dipakai
di pabrik-pabrik
terutama
pada industri kertas. Pengaturan yang
sesuai sangatlah penting dalam produksi kertas agar ketika dalam produksi, kertas
yang dihasilkan dapat memenuhi target produksi. Apabila motor DC pada industri
kertas tidak mendapatkan pengaturan yang sesuai,dapat terjadi kerusakan pada
kertas-kertas yang diproduksi, sehingga mengakibatkan kerugian bagi industri
tersebut..
2. MOTOR ARUS SEARAH DAN KOMPONEN PENGGERAK MOTOR [1, 2]
Motor arus searah mempunyai daerah pengaturan putaran yang luas
dibandingkan dengan motor arus bolak-balik, sehingga sampai sekarang masih
banyak dipergunakan pada pabrik dan industri seperti pabrik kertas, tekstil, dan
pabrik-pabrik yang mesin produksinya memerlukan pengaturan putaran yang luas.
Dalam motor arus searah, kumparan medan yang berbentuk kutub sepatu merupakan
bagian yang tidak berputar (stator), dan kumparan jangkarnya merupakan bagian
yang berputar (rotor).
Jika arus melewati konduktor, maka akan timbul medan magnet dan garisgaris gaya medan magnet (fluks) dihasilkan oleh kutub-kutub magnet pada stator.
Interaksi antara kedua medan tersebut akan menimbulkan perpotongan medan
magnet sehingga menimbulkan gaya, gaya tersebut menghasilkan torsi yang akan
memutar rotor. Dalam perkembangannya banyak sekali cara pengaturan motor DC,
diantaranya pengaturan motor DC menggunakan sebuah drive, kegunaan drive
tersebut untuk memudahkan operator dalam mengatur motor DC agar bekerja sesuai
seperti yang diinginkan.
Motor DC yang digunakan adalah motor berpenguatan bebas. Motor arus
searah penguatan bebas sumber tegangan penguatannya berasal dari luar
motor. Pada jangkar motor timbul gaya gerak listrik (GGL) lawan sebesar πΈπ
yang melawan tegangan masuk (ππ‘ ), seperti diperlihatkan pada Gambar 1 pada
halaman berikut ini
90
Maula Sukmawidjajaama & dkk, Pengaturan Kecepatan Motor DC Dengan DC Drive
Gambar 1. Rangkaian Ekivalen Motor DC berpenguatan bebas
Dari Gambar 1 rangkaian ekivalen tersebut, maka didapat persamaan (1):
Jika
Maka
ππ‘ = πΈπ + πΌπ .π π
πΈπ = K Π€ ππ
ππ‘ = K Π€ ππ + πΌπ .π π
π
π
πΌπ = π +π
I
=
π
π·ππ¦π πΌπππ’π‘
ππ‘
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
dimana: ππ‘ adalah tegangan terminal (V), πΈπ adalah GGL lawan (V), K adalah
Konstanta, I adalah arus jala-jala (A), π π adalah resistansi kumparan jangkar (ohm),
πΌπ adalah arus jangkar (A), πΌπ adalah arus medan (A), ππ adalah tegangan penguat
(V).
2.1. Penggerak Motor DC (DC Drive)
DC drive adalah suatu komponen yang digunakan untuk mengontrol
kecepatan dan torsi motor DC, DC drive memiliki keuntungan diantaranya:
ο·
Metode pengendalian kecepatan sederhana dan lebih mudah.
ο·
Sistem pengereman dapat diterapkan dengan mudah.
ο·
Efisiensi yang lebih tinggi.
91
JETri, Volume 12, Nomor 1, Agustus 2014, Halaman 89 - 104, ISSN 1412-0372
Pada DC drive ada bagian-bagian yang membuat DC drive dapat bekerja secara
efektif [3] dan parameter-parameter pada motor DC dapat secara akurat ditentukan,
diantaranya:
1. Power converter pengendali motor DC yang dipakai adalah rectifier. Rectifier
adalah sebuah rangkaian yang mengkonversi tegangan AC menjadi DC.
2. Controllers merupakan bagian yang mengatur interaksi antara beban dan
karakteristik motor [3]. Controller mengatur masukan pada konverter daya.
Input yang diatur diantaranya:
a. torsi, fluks, speed dan posisi perintah
b. rate variasi, untuk memfasilitasi start awal dan menjaga integritas beban
mekanik.
c. torsi, fluks, speed yang diukur dan posisi dari feedback
d. nilai batas dari arus, torsi
e. temperatur.
DC drive Sinamics DCM atau yang biasa disebut juga dengan Sinamics DC Master,
merupakan suatu DC drive produk dari PT. SIEMENS yang memiliki fungsi utama
sebagai pengubah tegangan AC menjadi DC serta pengatur kecepatan motor DC.Para
konsumen dari PT. SIEMENS pengguna DC Drive Sinamics DCM biasanya
bergerak pada bidang industri kertas, seperti Gambar 2.
Gambar 2. Sinamics DCM
92
Maula Sukmawidjajaama & dkk, Pengaturan Kecepatan Motor DC Dengan DC Drive
2.2. Thyristor
Sinamics DCM menggunakan thyristor untuk merubah tegangan AC menjadi DC.
Thyristor memiliki terminal anoda, katoda, dan gerbang [2], seperti diperlihatkan
pada Gambar 3.Thyristor bertindak sebagai saklar yang akan aktif ketika tegangan
anoda positif terhadap katoda dan ada arus gerbang. Holding current adalah arus
yang mengalir dari anoda ke katoda untuk menjaga thyristor tetap menyala. Holding
current dapat dihapus setelah thyristor diaktifkan. Thyristor akan terus bekerja
selama tegangan anoda lebih positif terhadap katoda dan arus yang mengalir
melebihi arus holding. Seperti arus pada gerbang (gate), besarnya holding current ini
bervariasi dari perangkat ke perangkat. Besar kecilnya arus tergantung dari
kebutuhan, semakin besar perangkat semakin besar arus yang dibutuhkan.
Cathode
Anode
Gate
Gambar 3. Simbol thyristor
2.3. Sistem Pengaturan Kecepatan Quadrant
Cara kerja motor dan drive dapat dijelaskan dengan sistem kuadran. Pada
sistem satu kuadran, drive hanya dapat menghasilkan forward current dan forward
voltage, dan motor hanya bekerja pada satu arah. Sedangkan pada sistem empat
kuadran sistem kontrol dapat beroperasi pada tegangan dan arus positif serta negatif,
dan motor bekerja forward dan reverse seperti diperlihatkan pada Gambar 4 [1].
Torque
RR
FM
Speed
RM
RR : Reverse Regenerating
RM : Reverse Monitoring
FR : Forward Regenerating
FM : Forward Monitoring
FR
Gambar 4. Sistem quadrant
93
JETri, Volume 12, Nomor 1, Agustus 2014, Halaman 89 - 104, ISSN 1412-0372
Pada Sinamics DCM terdapat tipe yang bekerja dengan sistem satu kuadran dan
empat kuadran. Sistem satu kuadran pada Sinamics DCM menggunakan enam
thyristor yang berlaku sebagai saklar dan mengubah tegangan seperti diperlihatkan
pada Gambar 5.
Gambar 5. Rangkaian Sinamics DCM satu kuadran
Sistem satu kuadran hanya beroperasi dikuadran I. Torsi motor yang searah
dengan jarum jam menggerakkan motor secara searah pada kecepatan yang
diinginkan. Menghentikan motor pada operasi satu kuadran dapat dilakukan dengan
menghilangkan tegangan pada motor. Tegangan dapat dikurangi secara bertahap
sampai motor berhenti. Jumlah waktu yang dibutuh kan untuk menghentikan motor
tergantung pada inersia dari motor dan beban yang terhubung.
94
Maula Sukmawidjajaama & dkk, Pengaturan Kecepatan Motor DC Dengan DC Drive
Gambar 6. Rangkaian Sinamics DCM dengan sistem empat kuadran
Dinamika beban tertentu memerlukan operasi empat kuadran. Jika tegangan
motor tiba-tiba berkurang, torsi negatif dikembangkan di motor karena inersia dari
beban terhubung. Motor bertindak seperti sebuah generator dengan mengubah tenaga
mekanik dari poros menjadi tenaga listrik yang dikembalikan ke drive. Hal ini mirip
dengan mengendarai mobil pada jalan menurun. Mesin mobil akan bertindak sebagai
rem. Pengereman terjadi pada kuadran II dan IV.
Salah satu metode untuk mendapatkan operasi empat kuadran dari DC drive
adalah menambahkan jembatan kedua yang terhubung secara terbalik dari jembatan
utama. Jembatan kedua mengembalikan energi yang lebih dari motor kegaris AC.
Proses ini sering disebut sebagai regeneratif yang diperlihatkan pada Gambar 7.
95
JETri, Volume 12, Nomor 1, Agustus 2014, Halaman 89 - 104, ISSN 1412-0372
Motoring
Bridge
Regen
Bridge
Ra
L1
L2
L3
Gambar 7. Metode Regeneratif
2.4. Sistem Pengaturan Lintasan-Tertutup/Closed-Loop
Sinamics DCM ini juga bekerja sebagai pengatur motor DC, terutama pada
pengaturan kecepatan yang bekerja dengan sistem closed-loop, yaitu sistem
pengaturan dimana besaran keluaran mempengaruhi besaran masukan, sehingga
besaran yang dikontrol dapat dibandingkan terhadap set point yang diinginkan.
Selanjutnya, perbedaan set point yang terjadi antara besaran yang dikontrol dengan
set point yang diinginkan digunakan sebagai koreksi. Feedback adalah salah satu
bagian dari sistem closed-loop dimana keluaran akan dibandingkan dengan masukan
sistem, sehingga pengaturan yang tepat dapat dilakukan.
Input
Control
Proses
Feed back
Gambar 8. Sistem Closed-Loop
96
Output
Maula Sukmawidjajaama & dkk, Pengaturan Kecepatan Motor DC Dengan DC Drive
3. PENGATURAN KECEPATAN MOTOR DC PADA SIZE PRESS DENGAN
SINAMICS DCM [2,3]
Size Press merupakan tempat dimana kertas diberikan cairan kimia agar
kertas dapat lebih lentur dan apabila kertas diberi tinta, tinta tersebut dapat meresap
kedalam kertas. Pada size press terdapat dua roll yang saling bersentuhan seperti
diperlihatkan pada Gambar 9. Roll tersebut masing-masing digerakan oleh motor
DC. Kecepatan motor DC yang sesuai sangat diharapkan agar produksi dapat
berjalan dengan efektif dan efisien.
Gambar 9. Roll pada size press, foto diambil pada PT. Mount Dream Indonesia pada
tanggal 30/05/2013
Konsep pengaturan yang diterapkan DC drive pada size press dapat dilihat pada
Gambar 10. Pada speed set point diberikan speed reference ke DC drive, kemudian
pada current control dilakukan penyesuaian tegangan agar motor dapat berputar
sesuai dengan kecepatan berdasarkan set point.
Gambar 10. DC Drive System
97
JETri, Volume 12, Nomor 1, Agustus 2014, Halaman 89 - 104, ISSN 1412-0372
Ketika motor DC berputar berdasarkan set point kecepatan awal, DC drive akan
memberikan feedback, berupa sinyal keluaran. Feedback tersebut akan dibandingkan
dengam sinyal masukan yang selanjutnya dijadikan panduan untuk set point
kecepatan berikutnya. Pengaturan kecepatan motor DC pada size press terdapat tahap
load share. Load share merupakan pembagian beban antara dua motor atau lebih.
Pada size press terdapat dua roll, seperti diperlihatkan pada Gambar 11, yang
dikendalikan oleh dua motor DC. Ketepatan pembagian beban dalam kecepatan
putaran masing-masing roll sangat penting. Apabila motor DC top roll berputar tidak
sesuai maka akan menghambat motor DC bottom roll, dan juga sebaliknya. Hal
tersebut akan mengakibatkan kertas yang melalui kedua roll tersebut rusak, terlipat,
bahkan dapat keluar dari jalur roll tersebut.
Top Roll
Bottom Roll
Gambar 11. Roll pada size press
Ketika terjadi load share, DC drive Sinamics DCM pada top roll bekerja sebagai DC
master, sedangkan DC drive Sinamics DCM pada bottom roll bekerja sebagai slave
seperti diperlihatkan pada Gambar 12.
Gambar 12. Hubungan drive master dan slave pada saat load share
98
Maula Sukmawidjajaama & dkk, Pengaturan Kecepatan Motor DC Dengan DC Drive
Load share terjadi saat roll nip, yaitu saat kedua roll bertemu. Saat load share, drive
slave bekerja berdasarkan set point yang diberikan oleh drive master.Gambar 13
adalah grafik proses load share pada bottom roll dengan top roll ketika terjadi nip.
Dapat dilihat adanya kesamaan pola top roll dan bottom roll pada pukul 16:29-19:09.
Gambar 14 merupakan grafik kecepatan top roll dan bottom roll. Kecepatan motor
pada grafik tersebut adalah kecepatan ketika transisi motor pada saat sebelum load
share terjadi sampai dengan terjadinya load share.
Bottom Roll load
40
20
19:09:00
18:49:00
18:29:00
18:09:00
17:49:00
17:29:00
17:09:00
16:49:00
16:29:00
16:09:00
15:49:00
15:29:00
15:09:00
14:49:00
14:29:00
14:09:00
13:49:00
13:29:00
13:09:00
12:49:00
12:29:00
12:09:30
0
19:09:00
18:49:00
18:29:00
18:09:00
17:49:00
17:29:00
17:09:00
16:49:00
16:29:00
16:09:00
15:49:00
15:29:00
15:09:00
14:49:00
14:09:00
13:49:00
13:29:00
13:09:00
12:49:00
12:29:00
12:09:30
14:29:00
Top Roll Load
40
20
0
Gambar 13. Roll pada saat Load Share
Bottom Roll Speed
19:09:00
18:54:00
18:09:00
18:39:00
18:09:00
18:24:00
17:54:00
17:49:00
17:39:00
17:24:00
17:09:00
16:54:00
16:39:00
16:24:00
16:09:00
15:54:00
15:39:00
15:24:00
15:09:00
14:54:00
14:39:00
14:24:00
14:09:00
13:54:00
13:39:00
13:24:00
13:09:00
12:54:00
12:39:00
12:24:00
12:09:30
412
410
408
406
404
402
400
398
Top Roll speed
410
405
19:09:00
18:49:00
18:29:00
17:29:00
17:09:00
16:49:00
16:29:00
16:09:00
15:49:00
15:29:00
15:09:00
14:49:00
14:29:00
14:09:00
13:49:00
13:29:00
13:09:00
12:49:00
12:29:00
12:09:30
400
Gambar 14. Roll Speed pada saat Load Share
99
JETri, Volume 12, Nomor 1, Agustus 2014, Halaman 89 - 104, ISSN 1412-0372
4. PERHITUNGAN KECEPATANβTEGANGAN PENGGERAK MOTOR DC
[1, 3]
Kecepatan dan tegangan penggerak motor DC dapat dihitung dengan menggunakan
Persamaan (1) dan (2). Selain itu digunakan juga data-data yang diperoleh dari
pengukuran dan spesifikasi dari motor DC pada size press yang diperlihatkan pada
Tabel 1.
Table 1. Spesifikasi motor DC
Roll
Vrated
Top roll
480
Bottom roll 480
Irated
162
170
kWrated
75
75
Nrated Diameter roll Ratio gearbox Nrated
π π
1500
0,809
4,937
477,70 0,153
1500
0,784
4,937
477,70 0,150
Contoh perhitungan dengan menggunakan:
- Data top toll pada jam 12:09:30:
Kecepatan motor memutar Roll (ππ):
ππ =
408,7216 . 4,937
ππ =
794,3512 . 2π
π
0.809
= 794,3512 RPM
atau
60
= 83,14209 rad/sec
dan
KΦ =
=
ππππ‘ππ
πΌπππ‘ππ
477,70
162
= 2,94877
Selanjutnya dapat diperoleh tegangan jangkar:
πΈπ = K Π€ ππ
πΈπ = 83,14209 . 2,94877
= 245,1665
100
Maula Sukmawidjajaama & dkk, Pengaturan Kecepatan Motor DC Dengan DC Drive
Arus jangkar:
πΌπ = πΌπππ‘ππ . Load Actual
= 162 . 2,613224 %
= 4,23342
Dengan demikian tegangan penggerak:
ππ‘ = 245,1665 + (4,23342. 0,153 )
= 245,8142
- Data bottom rollpada jam 12:09:30:
Dengan cara yang sama maka:
ππ =
407,6703 . 4,937
ππ =
817,5729 . 2π
KΦ =
477,70
π
0,784
= 817,5729 RPM
atau
60
= 85,57263 rad/sec
dan
170
= 2,81
Ea = 85,57263 . 2,81
= 240,4591
Ia
= 170 x 4,938487 %
= 8,39543
Tegangan pengerak:
Vt = 240,4591 + (8,39543. 0,150)
= 241,7184
101
JETri, Volume 12, Nomor 1, Agustus 2014, Halaman 89 - 104, ISSN 1412-0372
N Top roll
Gambar 15 Grafik kecepatan top roll
Vt Top roll
Gambar 16. Grafik tegangan top roll l
N bottom roll
12:09:30
13:09:00
14:09:00
15:09:00
16:09:00
17:09:00
18:09:00
19:09:00
20:09:00
21:09:00
22:09:00
23:09:00
00:09:00
01:09:00
02:09:00
03:09:00
04:09:00
05:09:00
06:09:00
07:09:00
08:09:00
09:09:00
10:09:00
11:09:00
12:09:00
Dengan cara perhitungan yang sama untuk data lainnya dihasilkan grafik pada
1000
800
600
400
200
0
300
250
200
150
100
50
0
1000
800
600
400
200
0
Gambar 17. Grafik kecepatan bottom roll
12:09:30
13:09:00
14:09:00
15:09:00
16:09:00
17:09:00
18:09:00
19:09:00
20:09:00
21:09:00
22:09:00
23:09:00
00:09:00
01:09:00
02:09:00
03:09:00
04:09:00
05:09:00
06:09:00
07:09:00
08:09:00
09:09:00
10:09:00
11:09:00
12:09:00
Gambar 15 sampai dengan Gambar 18.
102
12:09:30
13:09:00
14:09:00
15:09:00
16:09:00
17:09:00
18:09:00
19:09:00
20:09:00
21:09:00
22:09:00
23:09:00
00:09:00
01:09:00
02:09:00
03:09:00
04:09:00
05:09:00
06:09:00
07:09:00
08:09:00
09:09:00
10:09:00
11:09:00
12:09:00
Maula Sukmawidjajaama & dkk, Pengaturan Kecepatan Motor DC Dengan DC Drive
Vt bottom roll
300
250
200
150
100
50
12:09:30
13:09:00
14:09:00
15:09:00
16:09:00
17:09:00
18:09:00
19:09:00
20:09:00
21:09:00
22:09:00
23:09:00
00:09:00
01:09:00
02:09:00
03:09:00
04:09:00
05:09:00
06:09:00
07:09:00
08:09:00
09:09:00
10:09:00
11:09:00
12:09:00
0
Gambar 18. Grafik tegangan bottomroll
Pada gambar grafik tegangan dan kecepatan masing-masing motor DC dari setiap
roll, dapat dilihat bahwa tegangan yang masuk mempengaruhi kecepatan motor, hal
tersebut dapat dibuktikan dari gambar grafik kecepatan dan tegangan pada masingmasing roll memiliki karakteristik gambar yang sama, dengan demikian dapat
terbukti bahwa DC drive Sinamics DCM mengatur kecepatan motor DC pada size
press dengan cara mengatur tegangan yang masuk ke motor DC.
5. KESIMPULAN
Bedasarkan analisis pada bab-bab sebelumnya dapat disimpulkan :
1. Penggunaan sistem Closed-Loop pada Sinamics DCM menghasilkan feedback
yang berguna untuk menjaga ketepatan pada setpoint sehingga motor dapat
bekerja dengan kecepatan yang sesuai.
2. Pada proses pembagian beban (load share) yang terjadi pada pukul 16:29-19:09,
Sinamics DCM bekerja dengan sistem Master-Slave, dimanadrive pada Top Roll
bekerja sebagai Master dan Bottom Roll bekerja sebagai Slave.Drive Slave bekerja
berdasarkan setpoint yang diberikan oleh Drive Master.
3. Berdasarkan perhitungan berdasarkan data Top Roll dan Bottom Roll, Sinamics
DCM terbukti mengatur kecepatan motor DC dengan mengatur besar tegangan
yang diberikan kepada motor..
103
JETri, Volume 12, Nomor 1, Agustus 2014, Halaman 89 - 104, ISSN 1412-0372
DAFTAR PUSTAKA
[1]. Siemens Energy & Automation Products. Siemens Technical Education
Program Series (STEP Series), Basics of DC Drives, 2011.
[2]. Theodore Wildi. Electrical Machines, Drives and Power Systems. Prentice Hall
International Inc., 2001.
[3]. Budhi Nursulistyo, βAnalisis pengaturan kecepatan motor dc dengan dc drive
sinamics dcm pada size pressβ, Tugas Akhir, Jurusan Teknik Elektro Trisakti,
Jakarta, 2013.
104